DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention a trait à l'utilisation d'un matériau composite comprenant une matrice polymérique et au moins une poudre d'un composé spécifique à base d'un élément émetteur d'un rayonnement γ (γ correspondant à la lettre grecque gamma) pour la fabrication d'un combustible, en particulier, nucléaire comprenant de l'uranium, et/ou un ou plusieurs actinides mineurs et/ou du plutonium.

Ce procédé peut trouver, en particulier, son application dans le recyclage d'actinides mineurs via l'incorporation de ces actinides mineurs dans le combustible susmentionné, lequel est destiné à être utilisé pour constituer des crayons nucléaires pour réacteur nucléaire ou encore, à entrer dans la constitution de cibles de transmutation, en vue d'effectuer des expériences de transmutation nucléaire notamment pour mieux comprendre le mécanisme de transmutation de ces éléments actinides mineurs. Le combustible peut également entrer dans la constitution des combustibles du type couvertures chargées en actinides mineurs.

On précise, pour la suite de l'exposé, que par actinide mineur, on entend les éléments actinides autres que l'uranium, le plutonium et le thorium, formés dans les réacteurs par captures successives de neutrons par les noyaux de combustible standard, les actinides mineurs étant l'américium, le curium et le neptunium.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

A l'heure actuelle, le recyclage des actinides mineurs issus du traitement des combustibles usés s'opère par deux voies distinctes connues sous les appellations suivantes :

-le recyclage hétérogène ; et -le recyclage homogène.

Dans le cas du recyclage hétérogène, les actinides mineurs sont séparés, lors du traitement du combustible usé, de l'uranium et du plutonium, et sont ensuite incorporés, à une teneur élevée, dans des éléments de combustible comprenant une matrice non fissile (par exemple, U0 ₂ appauvri), distincts des éléments de combustible standard du réacteur. Les éléments de combustible comprenant les actinides mineurs peuvent consister, par exemple, en des éléments de couverture disposés en périphérie du cœur d'un réacteur. Cette voie de recyclage permet, notamment, d'éviter de dégrader les caractéristiques du combustible standard par une incorporation d'actinides mineurs en concentrant les problèmes générés par ces actinides sur un flux de matière réduit et dédié.

Dans le cas du recyclage homogène, les actinides mineurs sont mélangés, à une faible teneur, répartis de façon quasi uniforme dans la totalité des éléments de combustible standard de réacteur. Pour ce faire, lors du traitement du combustible usé, l'uranium, le plutonium et les actinides mineurs sont traités ensemble pour former des oxydes, lesquels sont ensuite utilisés dans la fabrication desdits combustibles.

Au vu de qui existe déjà, les auteurs de la présente invention ont eu l'idée d'utiliser les propriétés γ-émettrices de composés spécifiques pour la fabrication d'un matériau composite, lequel est ensuite utilisé pour la fabrication d'un combustible nucléaire.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Ainsi, l'invention a trait à un procédé de fabrication d'un combustible nucléaire à base d'oxyde(s) de plutonium et/ou d'actinide(s) mineur(s) et/ou d'uranium comprenant les étapes suivantes :

-une étape de préparation d'un matériau composite comprenant une matrice polymérique et un ou plusieurs composés à base d'au moins un élément émetteur d'un rayonnement γ, le ou lesdits composés étant choisis parmi des poudres d'oxyde(s) d'uranium, des poudres d'oxyde(s) de plutonium, des poudres d'oxyde(s) d'au moins un actinide mineur et des mélanges de celles-ci, ladite étape comprenant une opération de mise en contact d'un ou plusieurs monomères précurseurs de ladite matrice polymérique, le ou lesdits monomères étant polymérisables sous rayonnement γ, et du ou desdits composés susmentionnés pendant une durée appropriée pour obtenir la polymérisation du ou desdits monomères et ainsi la formation du matériau composite ;

-une étape de traitement thermique du matériau composite de sorte à éliminer tout ou partie de la matrice polymérique dudit matériau composite, laissant ainsi subsister ledit combustible nucléaire. Les inventeurs ont ainsi mis à profit les propriétés γ-émettrices de composés spécifiques tels que définis ci-dessus pour la fabrication de matériaux composites à base de ceux-ci pour engendrer la polymérisation de monomères spécifiques polymérisables par rayonnement γ. Il n'est donc pas indispensable d'utiliser, dans le cadre de ce procédé, des initiateurs de polymérisation, ce qui permet ainsi de limiter la quantité et la diversité de composés organiques en contact avec les composés radioactifs émetteurs d'un rayonnement γ.

Des monomères polymérisables par rayonnement γ peuvent être choisis parmi les monomères éthyléniques, les monomères styréniques (par exemple, le styrène), les monomères acryliques, tels que l'acide acrylique, les monomères cellulosiques et les mélanges de ceux-ci et plus spécifiquement des monomères styréniques.

Ces monomères seront, avantageusement, choisis de sorte à n'être pas ou peu sensibles à la radiolyse.

Les composés à base d'au moins un élément émetteur d'un rayonnement γ sont, comme mentionné ci-dessus, choisis parmi des poudres d'oxyde(s) d'uranium, des poudres d'oxyde(s) de plutonium, des poudres d'oxyde(s) d'au moins un actinide mineur, tel que l'américium, et des mélanges de celles-ci.

Plus spécifiquement, la poudre d'oxyde(s) d'uranium peut être une poudre de dioxyde d'uranium U0 ₂ et/ou d'octaoxyde de triuranium U ₃ 0 ₈ , ce qui signifie que la poudre d'oxyde(s) d'uranium peut être constituée exclusivement d'une poudre de dioxyde d'uranium U0 ₂ , exclusivement d'une poudre d'octaoxyde de triuranium U ₃ 0 ₈ ou d'un mélange de dioxyde d'uranium U0 ₂ et d'octaoxyde de triuranium U ₃ 0 ₈ .

La poudre d'oxyde(s) de plutonium peut être, par exemple, une poudre de dioxyde de plutonium Pu0 ₂ .

La poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s) peut être une poudre d'oxyde(s) d'américium (telle que Am0 ₂ , Am ₂ 0 ₃ ), une poudre d'oxyde(s) de curium et/ou une poudre d'oxyde(s) de neptunium.

Ces poudres peuvent présenter une taille moyenne de particules allant de 0,1 à 500 μηη.

L'opération de mise en contact peut être accompagnée d'un mélangeage des composés à base d'au moins un élément émetteur d'un rayonnement γ et des monomères, ce mélangeage pouvant se faire au moyen d'un appareil de mélange tel qu'un mélangeur à vis, un malaxeur comprenant une ou plusieurs pales en Z, un broyeur à cylindres ou tout autre dispositif permettant un mélange.

L'opération de mise en contact, éventuellement accompagnée d'un mélangeage, peut être accompagnée d'une opération de mise en forme, par exemple, en mettant en œuvre différentes techniques en fonction des géométries recherchées et des propriétés du mélange.

Cette opération de mise en forme peut également faire suite à l'opération de mise en contact.

Cette opération de mise en forme est facilitée par la présence du ou des polymères constitutif(s) de la matrice polymérique.

A titre d'exemples, l'opération de mise en forme peut consister en une étape d'extrusion, une étape d'injection ou de coulage dans un moule de forme prédéterminée. Lors de cette opération de mise en forme, il peut être obtenu des formes variées, du fait de la malléabilité du mélange polymère et composés susmentionnés, et notamment des formes annulaires, qui peuvent être particulièrement appropriées pour la fabrication de combustibles annulaires destinés, en particulier, aux réacteurs à neutrons rapides. Il peut être également obtenu d'autres formes, telles que des granulés, qui peuvent ensuite être utilisées dans d'autres procédés de mise en forme, tels qu'un procédé impliquant une presse à injecter.

Lors de l'opération de mise en contact, il peut être prévu d'ajouter d'autres ingrédients que les monomères et les composés susmentionnés, ces autres ingrédients pouvant être un retardateur de polymérisation en vue de contrôler la réaction de polymérisation, un composé permettant l'ajustement de la température en vue de ralentir la cinétique de polymérisation. Par exemple, un mélange comprenant du styrène et un polyester pourra être utilisé pour bénéficier d'une tension de vapeur plus faible.

Une fois l'opération de mise en contact achevée et de façon concomitante, la polymérisation achevée, il est obtenu un matériau composite comprenant une matrice polymérique comprenant, en tant que charge, un ou plusieurs composés tels que définis ci-dessus à base d'au moins un élément émetteur d'un rayonnement γ, ce matériau, du fait de la présence d'une matrice polymérique, présentant une tenue mécanique suffisante et, ce quelle que soit la forme prise par ce matériau.

Ce matériau composite sert de pièce crue dans un procédé de fabrication de combustible nucléaire, ce qui signifie, en d'autres termes, que la matrice polymérique présente un caractère de liant temporaire. Avantageusement, la matrice polymérique est présente en un teneur volumique inférieure à 50% en volume par rapport au volume total du matériau composite, ce qui permet de faciliter les éventuelles opérations ultérieures de déliantage/frittage.

Le matériau composite est ensuite soumis à une étape de traitement thermique, de sorte à éliminer tout ou partie de la matrice polymérique et laisser subsister uniquement un objet compacté à base de composé(s) tel(s) que défini(s) ci- dessus à base d'au moins un élément émetteur d'un rayonnement γ, cet objet compacté étant un combustible nucléaire.

L'étape de traitement thermique peut, en outre, contribuer, à densifier le combustible nucléaire, c'est-à-dire à diminuer la porosité de celui-ci. Par exemple, il peut être mis en œuvre un ou plusieurs cycles de déliantage/frittage pouvant être déterminés par des essais classiques à la portée de l'homme du métier, en fonction de la matrice polymérique et du ou des composés inorganiques à fritter. On précise que, par déliantage, on entend toute étape permettant d'éliminer une partie ou la totalité des composés organiques présents dans le matériau composite.

A titre d'exemple, l'étape de traitement thermique peut, ainsi, consister à soumettre le matériau, se présentant éventuellement sous forme de pastille(s), à un chauffage, par exemple, en atmosphère contrôlée, à une(des) température(s) et une(des) durée(s) nécessaire(s) pour l'élimination partielle ou totale de la matrice polymérique et l'obtention du combustible présentant la densité souhaitée.

La ou les températures et la ou les durées nécessaires peuvent être atteintes selon un mode fonctionnant par paliers, ces paliers étant atteints par une montée en température.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront du complément de description qui suit qui se rapporte à un exemple de préparation de combustible poreux conforme à l'invention.

Bien entendu, ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'invention et n'en constitue en aucun cas une limitation.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

EXEMPLE 1

Afin d'illustrer le procédé objet de l'invention, une pastille de combustible à base d'oxyde d'uranium U0 ₂ appauvri et d'oxyde d'américium Am0 ₂ est préparée selon le mode opératoire exposé ci-dessous.

Pour ce faire, 17 g d'une poudre d'oxyde d'uranium U0 ₂ appauvri (correspondant à un déchet de la production de l'uranium enrichi ou à un résidu des barres de combustible usé) et 3 g d'oxyde d'américium Am0 ₂ ont été mis en contact à hauteur de 60% volumique avec de l'acide acrylique puis mélangés.

Le mélange résultant est ensuite coulé dans des moules de forme appropriée et dans un matériau ne permettant pas d'interactions chimiques et mécaniques avec le mélange utilisé (ce moule pouvant être en métal, en téflon ou en un matériau silicone). Le mélange est ensuite laissé au repos, jusqu'à achèvement de la polymérisation ou, à tout le moins, jusqu'à l'obtention d'une tenue mécanique suffisante pour l'étape de démoulage.

A l'issue de la polymérisation, le matériau composite comprend une matrice polymérique en polyacide acrylique, dans lequel est dispersé le mélange de poudres susmentionné.

Ce matériau composite est ensuite calciné et fritté sous atmosphère contrôlée pour obtenir un combustible mixte à base d'oxyde d'uranium et d'américium.

Le cycle appliqué peut être le suivant :

-une montée en température de 25°C à 400°C à raison de 0,2°C/min ;

-une montée en température de 400°C à 700°C à raison de 0,5°C/min ;

-un maintien de la température à 700°C pendant 1 heure ; -une montée en température de 700°C à 1500°C à raison de 3°C/min ;

-un maintien de la température à 1500°C pendant 0,5 heure ;

-une montée de la température de 1500°C à 1750°C à raison de 5°C/min ;

-un maintien de la température à 1750°C pendant 4 heures ;

-une diminution de la température de 1750°C à 25°C à raison de

5°C/min.